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      這臺“超級顯微鏡”不一般(走近大科學裝置②)

      來源于:人民網-人民日報
      發布時間:2021-04-13 17:09:34
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      無人機拍攝的中國散裂中子源外景。
        新華社發

      中子雖小,但產生強中子束的散裂中子源卻很龐大,是集合了各種高、精、尖設備組成的大科學裝置。

      中國散裂中子源(CSNS)坐落于廣東省東莞市松山湖畔。中國散裂中子源隧道內裝置建在13米到18米深的地下,主要包括一臺負氫離子直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站、3臺中子譜儀等。2011年9月開工建設,2018年8月,這一國之重器通過國家驗收,成為世界上第四個脈沖散裂中子源裝置。

      “中國散裂中子源90%以上的裝置設備,由我國自主研發并實現了國產化?!?中國科學院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生語氣中帶著自豪。他說,通過建造中國散裂中子源,顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學等領域的產業技術水平。

      探測物質微觀結構的重要“探針”

      “散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’,它是探測物質微觀結構的重要手段?!标惡蜕f。

      科學家介紹,物質的結構決定了物質的性質。同樣由碳元素構成,金剛石堅硬,石墨潤滑,就緣于它們的不同結構。為看清物質的微觀結構,科學家設計了很多方法,利用中子散射探測是其中之一。

      中子散射為何能看清微觀世界?原子由原子核和帶負電的電子構成,其中原子核又包括帶正電的質子和不帶電的中子。相比其他探測方式,中子能輕松地穿透物質。

      中子束打到被研究的樣品上,雖然大多數不會受到任何阻礙,但有些中子會與研究對象的原子核發生相互作用,從而改變運動方向。通過分析中子散射的軌跡、中子和物質發生作用時能量和動量的變化,科學家就能反推物質的結構。

      陳和生打了個比方:我們不斷往一張看不見的網上扔彈珠,有的彈珠穿網而過,有的則打在網上,彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡,就能大致推測出網的形狀;如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強,就能把這張網精確地描繪出來,甚至推斷其材質。

      散裂中子源就能發出“彈珠”。它的原理是,先把質子加速到一定的能量,再把質子束當成“子彈”,去轟擊原子序數很高的重金屬靶,靶的原子核被撞擊出大量中子??茖W家通過特殊裝置“收集”中子,然后用中子做探針,便可以開展各種實驗了。

      中國科學院高能物理研究所東莞研究部副主任梁天驕介紹,除中子散射外,觀察微觀世界還有同步輻射和電子顯微鏡等方式。其中,中子散射用的是中子,同步輻射借助的是X射線,電子顯微鏡則依靠電子。

      “散裂中子源有其他方式無法替代的作用,它與同步輻射光源互為補充?!绷禾祢溄忉?,比如,同步輻射X射線是與原子核外的電子相互作用,對含有電子數目較多的原子敏感,但探測如氫原子等輕元素就比較困難。而中子散射與原子核相互作用的散射強度,不受原子序數影響,它不僅能夠區分同位素和相鄰元素,還可以區分氫、鋰、碳等輕元素,因此在研究含有氫、鋰等輕元素的能源材料、軟物質與生物材料等方面中子散射有優勢。

      破解新材料、生命科學、化學化工等領域難題

      1998年6月,德國一列高鐵意外出軌。是車輪、軸承還是鐵軌出了故障?分析事故原因時,科學家陷入爭論。有人提出,用電子顯微鏡觀察這些部件,但這需要用激光刀把金屬部件切成小于1微米的薄片,幾乎無法操作。

      借助中子散射技術,科學家找到事故的元兇——失事的車輛車輪內部的金屬疲勞。陳和生告訴記者,高鐵的車輪、飛機的渦輪葉片里的應力變化看不到、摸不著,但超過一定值,就存在隱患。如今,在散裂中子源上測量研究車輪和葉片的殘余應力,可以優化機械加工工藝,幫助高鐵和飛機變得更安全、更舒適。

      研究大型工程部件殘余應力和金屬疲勞,只是中子散射諸多應用中的一種。在生物醫藥領域,中子散射能夠幫助科學家看清蛋白質的內部結構;在可燃冰的開發利用中,散裂中子源可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件,為安全、高效地開采和利用提供科學依據。

      中子散射能用于文物研究。想了解一尊佛像的制造工藝,但無法把它大卸八塊,怎么辦?利用中子成像技術,能清晰看到佛像的中間有一根木制“主梁”。這是因為中子散射對輕的元素非常敏感,中間的棍子是木頭做的,也就是碳氫化合物,中子可以輕易地“看到”它。因此可推測出古代工匠在造佛像時,先在中間立一根木梁,然后在木梁周圍纏上支撐架,最終用黏土制成。

      “中子散射還是研究鋰電池的利器?!绷禾祢湼嬖V記者,將工業電池連同模擬充放電過程的設備放入中子散射譜儀,實時原位測量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個部分材料結構、性能的變化,能夠為改進和優化鋰電池的設計提供關鍵數據。

      回顧中國散裂中子源的建造歷程,陳和生說:“散裂中子源建起來復雜,實驗難度大,但國民經濟許多關鍵領域的研究離不開它。20多年前,我們就向國家提出了要建造自己的散裂中子源,這件事困難再大也要做?!?/p>

      突破關鍵核心技術,往往離不開對前沿科學問題的探索。陳和生認為,在新材料、生命科學、化學化工等領域,中國散裂中子源有望助力我國解決“瓶頸”難題。

      成為粵港澳大灣區的創新策源地

      科學家告訴記者,中國散裂中子源投入運行以來,為多學科交叉前沿研究和高技術創新提供了先進的平臺,獲得了大批重要成果,成為粵港澳大灣區科技創新的重大科技基礎設施。

      去年5月,香港大學教授黃明欣團隊關于高強度鋼的研究在《科學》雜志發表。正是利用中國散裂中子源,該團隊得到了這種高強度鋼獨特性質的重要微觀結構信息。

      中國散裂中子源建成不久后,陳和生曾預言,松山湖畔將會成為科技創新的沃土。目前,中國散裂中子源就像一塊磁鐵,正吸引著科研人員慕名而來。

      “建起來了,我們還要用好?!敝袊茖W院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉介紹,中國散裂中子源正式運行以來,積極推進裝置的開放共享,逐漸成為粵港澳大灣區的創新策源地。

      記者了解到,截至目前,中國散裂中子源已完成四輪運行,注冊用戶超2000人,支撐了400多項研究課題,來自粵港澳大灣區的約占1/4,其中來自中國香港、中國澳門的用戶大概一共占總用戶的10%。

      “今年上半年申請的機時翻了一倍,科學界、產業界對中國散裂中子源的需求很旺盛?!标愌觽ジ嬖V記者。

      中國散裂中子源是服務基礎研究的工具,也是發展高技術產業的支撐。談起選址東莞的初衷,陳延偉告訴記者,珠三角地區產業基礎好,但過去缺少有分量的大科學裝置,在各方努力下,最終在這里選址。

      陳延偉接著說,絕大多數企業不可能自己建設單獨的大科學裝置,有了中國散裂中子源這個平臺,企業就能夠做一些前沿的研究,為產業升級、邁向高端打基礎。

      中國散裂中子源仍在成長中。陳延偉說,中國散裂中子源設計了20個譜儀孔道,目前一期僅建設了3臺譜儀。同時,散裂中子源的建設涉及大量高技術,中國散裂中子源要加強與國內外科學家交流,推動相關應用和研究走向深入,力爭為國家科技發展做出更大貢獻。

      《 人民日報 》( 2021年04月12日 19 版)

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